基于電解極化原理的巖土滲流傳感器設計與實驗*

秦孫巍, 李云安

(1.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074； 2.武漢工程大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430074)

基于電解極化原理的巖土滲流傳感器設計與實驗*

秦孫巍1,2, 李云安1

(1.中國地質大學 工程學院，湖北 武漢 430074； 2.武漢工程大學 化學與環境工程學院，湖北 武漢 430074)

針對巖土體滲流難于原位監測的問題，提出了一種利用電解極化產生電解質脈沖進行示蹤的方法。介紹了傳感器的測量原理、結構和測控電路。采用覆銅板制作了尺寸為20 mm×5 mm的傳感器，并在6 mm內徑有機玻璃管模擬的單裂隙中進行了流速測定實驗。結果表明:傳感器結構簡單、體積小，在0.01～0.1 cm·s-1的流速范圍內，傳感器的重復性誤差小于5 %，低阻峰測量線性誤差為2.80 %，高阻峰測量線性誤差為4.08 %，能夠滿足巖土體滲流長期監測的要求，具有良好的實用價值。

滲流; 示蹤法; 電解; 極化; 傳感器

0 引 言

滲流監測在水利工程、土建工程、給排水、環保、地質、石油等領域理論研究和工程應用中都具有及其重要地位。滲流監測的常用方法有測壓管法、滲壓計法[1]、量水堰法、容積法、示蹤法[2]、溫度場法[3]等，這些方法要么只能給出滲透壓力和滲透性能，要么只能在大尺度的時空中給出滲流狀態，對于滲流速度和滲流方向測定還沒有十分經濟有效的方法[4]。傳統示蹤法雖然可以測定流速和流向，但由于示蹤劑多為染料或電解質溶液，需要專門的投藥裝置，且投藥點與測量位置必須間隔較長距離，難以設計成一體化傳感器實現連續監測。

本文從電解質示蹤的角度出發，利用直流電場在電極上產生的電解極化替代傳統投藥裝置形成電解質脈沖實現無投藥示蹤，設計了集電解質脈沖產生與測量一體化的滲流傳感器。

1 測量原理

在稀溶液中的兩電極上施加直流電壓，受電場影響離子產生電遷移，陽離子會向負極移動，陰離子會向正極移動，由于離子電遷移速度遠大于擴散速度，離子在電極表面雙電層上形成高濃度區域，在電極附近形成低濃度區域，即濃差極化，此時在距離電極x處離子數密度為[5]

(1)

由式(1)可知，當溫度一定時，極化離子數密度與電勢正相關，電勢取決于電極間電壓，電壓越高電極界面雙電層與附近區域離子濃差越大。當有電流通過時，雙電層上離子因得失電子數目減少，為了維持雙電層離子數密度，附近區域離子向雙電層運動，從而使得雙電層與附近區域離子濃差進一步增加，電流密度越大濃差極化現象越明顯。

當施加的電極電壓高于分解電壓時，體系會產生電解，依照法拉利定律，其電解產物的量與法拉利電流強度、通電時間的關系為

(2)

式中n為電解物質的量；F為法拉利常數；ne為電子轉移數；I為法拉利電流；t為電解時間。

由式(2)可知，當通電時間一定時，法拉利電流越大電解的物質越多，當電解電壓一定時，法拉利電流大小取決于電極常數，電極常數越小法拉利電流越大。電解過程是一個離子得失電子的過程，陰、陽離子的總電荷數在電解過程中是不變的，對于惰性電極電解天然水來講，其過程對體系導電性影響不大，不會干擾下游電導測定。

由上述分析可知，在電極上施加直流電壓，離子會因極化而重新分布，在電極表面會形成高濃度區域，此時情況和傳統示蹤法加入示蹤劑時相仿，在停止施加直流電壓時，由于電場消失，離子的電遷移運動停止，擴散運動成為主導因素，此時離子在溶液中的運動過程可理解為溶質在一定流速下的擴散過程，其過程與傳統示蹤法相似，通過求解菲克定律建立的偏微分方程，可得到離子濃度隨時間和距離的解析解[6]

(3)

式中m為電解質質量，g；α為孔隙率；w為截面積，m2；C為離子濃度，g·L-1；u為流速，m·s-1；t為時間，s；DL為擴散系數，m·s-1；x為測量位置，m。

式(3)是傳統示蹤法的理論基礎，在使用示蹤法測量流速時，通常采用測點濃度達到最大值時的時間來計算流速[7]，在x處離子濃度達到最大值時的時間可由式(3)求極值可得

(4)

由式(4)可知，當u≠0時，在下游x處測量的優勢流速為

(5)

(6)

即當相對誤差ε、擴散系數DL和測量位置x不變，流速滿足式(6)條件時，優勢流速等于實際流速，此時實際流速與離子濃度達到最高時的時間呈反比。

實際測量過程中，由于溫度無法保證恒定，擴散系數會在一定范圍內波動，溫度對擴散系數的影響符合Arrhenius方程[8]

(7)

式中 D為擴散系數，m·s-1；D0為指前因子，m·s-1；E為擴散活化能；R為摩爾氣體常量，J·mol-1K-1；T為溫度，K。以水自擴散系數為例，在273K時為1.269×10-9m2·s-1，373K時為7.260×10-9m2·s-1，擴散系數相差約為6倍。為了消弱溫度的影響，可將最小可測流速在式(6)的基礎上提高5～6倍。

2 傳感器設計

2.1 結構設計

傳感器由一對電解電極、數對電導電極及基板三部分組成。電解電極的主要功能是產生電解極化，當電解電壓一定時，電流密度與電極常數有關，電極常數越小，電流密度越大，濃差極化越明顯，但過大的電流密度有可能使體系溫度因焦耳熱而改變，故電解電極的電極常數選擇應以不明顯改變體系溫度為前提盡可能地增加電流密度。電導電極的主要功能是感知系統濃度變化，根據測量需要可在傳感器上布設一對電導電極以測量某一方向上的流速，也可布設多對電導電極測量不同方向上的測量流速，電導電極的電極常數決定了電導率的測定范圍，如天然水的電導率一般在50～1 500μS·cm-1之間[9]，電極常數宜控制在0.1～1內，電極常數一般無法通過尺寸進行計算準確求取，但可采用已知電導率的溶液進行標定[10]。基板的主要功能是固定電極，保證電極常數和電極間距不發生變化，對于混凝土類的測量對象，可以省略基板，將電極直接固化在混凝土內。

本文以5mm×20mm長方形傳感器為例(如圖1)說明其結構，該傳感器由電極基板、一對電解電極和一對電導電極組成，采用單面覆銅電路板印刷制作。兩電極由玻璃纖維基板上平行的覆銅帶組成，電極長度5mm，寬度1mm，極板間距1mm，電解電極與電導電極相距20mm。

圖1 傳感器結構圖

2.2 測控電路設計

測控電路包括RS—232通信、電導測量和電解控制三個部分(如圖2)，三部分通過單片機統一進行協調調度，當單片機從RS—232通信接收到測量指令后，通過內部定時器控制時間進行電解極化，同時利用A/D轉換進行電導率測定，測定結果與測定時間同步通過RS—232通信發送至上位機，完成整個測控過程。

電導測量采用經典的交流兩電極分壓法[11]，激勵源產生±2.5V，頻率為1kHz的方波，為提高測量分辨率采用由模擬開關控制的0.5,1.0,10,20,50,100kΩ電阻器組成8檔可調采樣電阻器，分壓方波信號經過放大電路、絕對值電路、濾波電路等調制成直流電壓信號送AD進行A/D轉換，結果由單片機處理后由RS—232通信實現輸出，因該系統主要用于測量電導率的變化量而非絕對量，故無需進行溫度補償。電解控制部分由電解電源和雙路開關組成，電解電源采用與系統電源不共地的5～15V可調恒壓電源，雙路開關可采用繼電器或光電耦合器實現程控。

圖2 測控電路框圖

3 實驗與結果

3.1 實驗裝置

實驗采用內徑6mm，外徑8mm的有機玻璃管模擬單裂隙巖土體，在有機玻璃管內延水流方向布置傳感器(如圖3)，利用恒流泵產生不同流量的穩定流場，流過有機玻璃管后用100mL量筒測量流量以標定流速。電解電源采用TPR3005—3C型30V精密可調直流電源獨立供電，電解電壓9V，每個測定周期內通電時間4s，測量時間300s，電導率測量采樣頻率7Hz，傳感器電解電極的電極常數為0.306 7cm-1，電導電極的電極常數為0.486 3cm-1，流速范圍為0.01～0.1cm·s-1。

圖3 實驗裝置圖

3.2 數據處理

在一個測量周期內，電導率曲線會產生三個峰(如圖4)，峰a是由于電解過程中電解電壓變化，形成的電磁感應峰(electromagneticinductionpeak，EIP)，其大小受電解電壓變化率影響，與溶質、流速無關。峰b是電解極化過程中，電極附近低離子濃度，電阻較高的區域遷移而形成的高阻峰(highresistancepeak,HRP)。峰c是電極表面雙電層高離子濃度、電阻較低的區域遷移產生的低阻峰(lowresistancepeak,LRP)。

圖4 流速為0.022 2 cm/s時電導率變化

為了提高出峰時間測量的準確度，消除電導率測量過程中產生的小幅高頻噪聲，本文在計算出峰時間前，先采用5層Coiflet小波進行濾波，去除了信號中的高頻部分，結果如圖5所示，由圖可見濾波后殘差在±0.5μS·cm-1范圍內，信號無明顯失真。

圖5 小波濾波結果

3.3 重復性誤差

表1中,v0為體積法標定流速；t為出峰時間；STD為標準方差；RSD為相對標準方差；Peak為峰類型。

3.4 線性誤差

采用線性回歸對表1的測量速度與標定流速進行回歸分析，結果如圖5所示，低阻峰測量的速度回歸方程為v0=1.328vLRP-0.004 78，相關性系數R2=0.997 2，線性誤差2.80 %;高阻峰測量的速度回歸方程為v0=0.705 8vHRP-0.001 31，相關性系數R2=0.994 1，線性誤差4.08 %。結果表明：低阻峰、高阻峰出峰時間計算的流速均與標定流速呈現良好的線性關系，均可用于測量流速。

表1 不同流速測量結果

Tab 1 Measurement results of different flow velocity

序號v0(10-2cm·s-1)Peakt(s)STD(s)RSD(%)v(10-2cm·s-1)11.011LRPHRP177.20114.608.6503.0744.8812.6821.1291.74621.187LRPHRP168.90114.307.6133.6854.5073.2241.1841.75032.220LRPHRP101.20 61.673.6762.9683.6324.8131.9773.24343.289LRPHRP 69.36 40.700.5671.0320.8122.5362.8844.91453.570LRPHRP 64.71 37.070.7071.1031.0932.9763.0915.39564.037LRPHRP 56.06 34.530.6330.9121.1292.6423.5685.79275.903LRPHRP 42.05 22.350.3630.1930.8630.8624.7578.94886.539LRPHRP 38.79 22.230.8660.1792.2320.8065.1578.99797.478LRPHRP 33.22 18.500.8070.5932.4283.2066.02110.810

圖6 不同流速測量結果

4 結 論

本文通過分析電解過程中的濃差極化現象和離子擴散相關原理，提出了采用電解極化生成電解質脈沖進行示蹤的方法，設計了一種用于巖土滲流的傳感器和相關測控電路，并通過實驗進行了驗證。結果表明：該方法不引入新物質進入環境，對環境影響小，傳感器結構簡單、成本低廉、重復性好，可靠性高，在0.01～0.1 cm·s-1流速范圍內，傳感器長度為2 cm時，重復性誤差小于5 %，線性誤差小于5 %，能夠滿足巖土體滲流長期監測的要求。

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Design and experiment of rock-soil seepage sensor based on electrolytic polarization principle*

QIN Sun-wei1,2, LI Yun-an1

(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China;2.School of Chemistry and Environmental Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China)

Aiming at problem that the seepage of rock and soil is difficult to be monitored in situ,a tracing method of electrolyte pulse generated by electrolytic polarization is proposed.The measuring principle,structure and measurement and control circuit of sensor are introduced.The sensor is made by using copper clad laminate with the size of 20 mm×5 mm,and flow velocity measurment experiments is conducted in 6 mm diameter of organic glass tube to simulate a single crack.The results show that the structure of sensor is simple and size is small,and within the velocity range of 0.01～0.1 cm·s-1,the repeatability error is less than 5 %,the linear error of low resistance peak measurement is 2.80 % and linear error of high resistance peak measurement is 4.08 %,which is suitable for long-term monitoring of seepage of rock and soil, and it has good practical value.

seepage; tracer method; electrolysis; polarization; sensor

10.13873/J.1000—9787(2015)11—0078—04

2015—08—19

湖北省教育廳科學技術研究項目(B2015326)

TH 764

A

1000—9787(2015)11—0078—04

秦孫巍(1978-)，男，湖北武漢人，博士研究生,講師，從事滲流監測系統設計和研究。